真奇怪了，怎麽一個個都在談論electron migration？好歹也做過相關領域研究的答一個吧。
一般來說IC老化是四種現象之一：NBTI (negative-bias temperature instability), HCI (hot carrier injection), EM (electron migration) 和TDDB (time-dependent dielectric breakdown)。其中NBTI和HCI主要導致速度的緩慢降低，EM和TDDB主要導致隨機的崩潰性失效。
其中EM很好解釋，金屬導線中的原子被電流帶著不知跑到什麽地方去。這個效應一會導致導線在缺損處逐漸變細最終斷裂，二會導致跑掉的原子在別處堆積生成dendrite，然後dentrite長著長著就長到別的導線上面去了，結果就是線間短路。可以看出兩個效應基本一發生就沒得挽救了，要對付EM主要靠預防，比如說想法不要造出缺陷來，做線的時候寬一點。但是在設計條件下，正常設計數十億門，導線如恒河沙數，要保證這個人力有時不及。
其它三個效應都是跟MOSFET原理有關。貼個我以前做的報告圖示意一下：
本科學過電子學的可以知道，MOSFET原理是一個門極靠靜電勢控制底下的導電溝道深度，電勢高形成深溝道電流就大，電勢低溝道消失就不導電了。稍微想深一層就知道這個門極導電底下的溝道也導電，那就必須中間有個絕緣介質把他們分開，否則就變成聯通線不是晶體管了。
再想深一層就知道這個絕緣介質最簡單的做法是把矽氧化做二氧化矽。
而行外人一般想不到的是光二氧化矽還不夠，工程上二氧化矽和基板矽之間附著很差，必須加入Si-H鍵把二氧化矽層拴住。所以實際上介質層和矽之間有一層不是純SiO2是SiOH。問題由此產生。
VLSI等級的微觀尺度使得量子效應不能忽略。溝道中流動的電子會因為量子能量漲落隨機得到臨時能量變成熱電子然後跳到不知什麽地方去，這叫穿隧效應。隨手搜到一個詳細解釋（
穿隧電流_百度百科），對物理學感興趣的同學可以看看。不感興趣的同學，想想MOSFET關斷狀態的漏電流哪來的，為啥是個冪指數函式就知道了。
這事沒完。前面提到有Si-H鍵。這個鍵的特點是容易破，也容易重新恢復。電子一穿隧，有機率把這個鍵打斷，這時候就產生斷鍵和遊離氫原子。 斷鍵會使得threshold voltage提高 ，就是說原先0.3V就開啟的門，現在需要0.35V才能開啟了。這意思是說，同樣加1伏電壓，原先導通電流相當於0.7V時的情形，現在相當於0.65V時的情形。 這就是為什麽斷鍵會使芯片變慢，因為導通電流低了，升壓就慢。 升壓一慢，門開關就慢了，最後你的邏輯就慢了。
為什麽會隨時間變慢呢？因為斷鍵是隨機發生，需要時間積累。另外，記住我們前面提到Si-H鍵可以恢復，所以基於斷鍵的老化效應都有恢復模式。對於NBTI來說，你給他加反向電壓就會進恢復模式；對於HCI來說，你不要動他就進入恢復模式。但是這兩者都不可能長時間發生，所以總的來說，芯片是會逐漸老化的。
為什麽溫度有影響呢？溫度表示宏觀物體微觀粒子平均動能。熱了，熱電子就多，斷鍵機會就大。一般民用電子產品用上十來年問題不大。汽車電子芯片，十年就差不多了。哪位有朋友開美國車的，可以觀察一下。新車一般很潮，上十年以後基本上就像聖誕樹一樣了，一開車到處都亮。
為什麽加壓有影響呢？同樣的晶體管，供電電壓越高偏移電壓越高，偏移電壓越高氫原子遊離越快，等於壓制了自發的恢復效應，自然老化就快了。
為什麽超頻有影響呢？因為超頻本質上是利用芯片廠商對這個過程無法充分把握而預留的裕量。芯片制造出來會有一個速度測試，然後芯片廠商考慮到典型使用情況，預留一個裕量，話不說太滿，免得老化以後芯片達不到。打個比方，300ps芯片標3GHz，即便老化10%也還能達到；但是如果你改時鐘當3.3GHz用，那稍微老化一點就達不到了。從使用者的角度來看，就是亮不起來。
這是為啥會老化。最後再說一下前面提到的TDDB。上文只說Si-H鍵會斷，但是Si-O鍵其實也會斷的，斷了以後會形成一個可導電的點。隨著使用隨機斷裂，到一定時間以後斷了的Si-O鍵會形成一個從溝道聯通門極的導電旁路，管子就擊穿了。這就是TDDB。過去為了速度二氧化矽層越削越薄，這個問題很突出。但是有了High-\kappa 金屬門（HKMG）技術以後可以不再削薄電介質層，這個問題可能就不如想象的那麽嚴重了。
延伸閱讀：
Negative-bias temperature instabilityHot-carrier injection普度大學M. Alam教授的網上課件
EE695A: Reliability Physics of Nanoelectronic Transistors。 特別推薦這個，Alam教授不辭勞苦不怕被盜把投影片都放上來了還帶配音，尤其難得的是把NBTI研究歷史都帶入教學裏面了很有故事感，數理背景hold得住的不妨看一看。
上面圖中右上角黑白圖取自Alam教授課件，此致感謝。
